Нагружения напряжения

После циклического нагружения наблюдается снижение скорости во всех зонах рабочей части образца. Важно отметить, что характер снижения при этом для всех уровней накопления повреждений одинаков.

В образцах из разупрочняющихся сталей с ростом числа циклов нагружения наблюдается тенденция снижения цикловых напряжений (рис. 6.5, д - кривая 3).

ческие исследования показали, что на этой стадии циклического деформирования, как и в условиях статического нагружения, наблюдается изменение дислокационной структуры: на границах ферритных зерен генерируются новые дислокации; в отдельных зернах наблюдаются дислокационные сплетения. В наиболее благоприятно ориентированных зернах могут наблюдаться тонкие дислокационные полосы скольжения. Пример дислокационной структуры, формирующейся на этой стадии циклического нагружения в отожженных образцах из низкоуглеродистой стали Ст 3, приведен на рис. 10. Дислокационные скопления преимущественно наблюдаются в области границ зерен (рис. 10, а) и у неметаллических включений (рис. i 0,6).

В случае разрушения сталей имеет место предельное достижение СРТ на мезоскопическом масштабном уровне — около 1,5 мкм или 1,5-10~6 м. Устойчивое поведение материала с усталостной трещиной в широком диапазоне параметров цикла нагружения наблюдается в более узком диапазоне СРТ и КИН . Поэтому в общем случае для сталей следует вводить верхнюю границу стабильного роста трещины при постоянной нагрузке с учетом (4.49) по соотношению:

Для изотропных материалов экспериментально было обнаружено, что энергия, затраченная на продвижение трещины, относительно постоянна. Поэтому большая часть усилий была сконцентрирована на изучении различных методов вычисления затраченной энергии, причем игнорировалось обоснование сделанного выше упрощения. Анализ энергетического неравенства (11) показывает, что левая часть (11) постоянна тогда и только тогда, когда Ьравая. часть неравенства является функцией одного параметра. Это на самом деле соответствует случаю изотропного разрушения, когда под действием любого сложного плоского нагружения наблюдается неустойчивый рост трещины в направлении, ортогональном направлению максимального нормального напряжения около кончика трещины (например, см. работу [15]). Иначе говоря, в изотропном материале со случайно распределенными трещинами равной длины (рис. 9) только трещина, перпендикулярная действию нагрузки, является критической и только один вид испытания — растяжение в направлении, перпендикулярном трещине,— необходим для определения характеристики разрушения такого материала.

Как показывают экспериментальные данные, при наличии в цикле выдержек, как и в случае термоусталостного нагружения, наблюдается весьма существенное изменение напряжений и деформаций, причем накопленная деформация может превышать заданный размах А (см. схему на рис. 8) в два-три раза и более. На рис. 7 привэдены значэния размахов суммарных циклических деформаций е^, включающих дэфэрмацию ползучести Aed'4 в цикле с вы-

При испытании исследуемых сталей в воздухе влияние частоты деформирования практически отсутствует во всем диапазоне циклических нагрузок. При воздействии среды и в условиях наводороживания с понижением частоты нагружения наблюдается увеличение скорости роста трещи-

В начале циклического воздействия в металле протекают одновременно два явления. Под действием знакопеременных нагрузок происходит своеобразное упрочнение металла за счет пластических деформаций наиболее слабых объемов. Это приводит к повышению предела упругости и, следовательно, к уменьшению прогиба испытуемого образца, что и наблюдается при испытании образцов из меди и никеля. Однако при малых пластических деформациях в условиях переменного нагружения наблюдается также явление Баушингера, связанное с понижением предела упругости. При постоянстве действующего циклического напряжения это приведет к увеличению прогиба, которое и имеет место при записи диаграмм усталости второго типа.

В развитии циклического деформирования при нейзотермиче-ском нагружении в силу специфики эксплуатационных режимов и конструктивных особенностей детали весьма существенна роль циклических термических напряжений [6, 29, 72, 100], которые усиливают повреждающий эффект, действуя совместно с напряжениями от механической циклической нагрузки, вызывая в ряде случаев деформирование за пределами упругости. Последний вид неизотермического нагружения наблюдается в поверхностных объемах деталей машин вследствие малой теплопроводности теплостойких сталей и жаропрочных сплавов, их высокого коэффициента линейного расширения и больших скоростей нагрева и охлаждения агрегатов и оборудования.

практически полностью воспринимаются высокопрочными волокнами. Разрушение связующего в монослоях при кратковременном поперечном нагружении начинается в наиболее нагруженных зонах и имеет в дальнейшем лавинообразный характер. При продольном сдвиге с ростом нагружения наблюдается перераспределение поля напряжений и прочность слоя при сдвиге практически равна прочности связующего при сдвиге. Аналогично, при длительном комбинированном нагружении разрушение монослоя во времени вследствие разрушения связующего происходит в его наиболее нагруженных зонах. Момент первых разрушений является началом лавинообразного разрушения связующего и, следовательно, моментом разрушения всего слоя. Напряженное состояние при этом в наиболее нагруженных зонах связующего характеризуется следующими соотношениями [3]:

На рис. 3.4 показано изменение циклических пределов упругости для циклически упрочняющегося алюминиевого сплава АД-33 (кривые 1), циклически разупрочняющейся стали ТС (кривые 3) и циклически стабильных стали 22к (кривые 2) и стали Х18Н10Т (кривые 4), причем темные точки для всех материалов относятся к полуциклам растяжения, а светлые — к полуциклам сжатия. Отсюда следует, что для монотонно упрочняющегося сплава АД-33 предел упругости, падая по сравнению с исходным в первые циклы нагружения, затем начинает возрастать на фоне уменьшения с числом циклов нагружения величины циклической пластической деформации. Предел упругости в полуциклах сжатия как в первом полуцикле (эффект Баушингера), так и в последующих (циклический эффект Баушингера) имеет несколько меньшую величину, повторяя при этом характер изменения предела упругости в полуциклах растяжения. У циклически разупрочняющейся стали ТС как при исходном нагружении, так и в последующих циклах происходит уменьшение значений ар, что является следствием ее разупрочнения (увеличения с числом циклов ширины петли гистерезиса). При этом степень уменьшения циклического предела упругости зависит от величины упругопластиче-ских деформаций (нагрузки) и, следовательно, от интенсивности разупрочнения. Так, при аа = 560 МПа (рис. 3.5,6) ор снижается в среднем на 32% (кривые Jf), а при аа = 470 МПа (кривые 3) — на 23%. В случае исходного деформирования в направлении сжатия в первом цикле наблюдается наибольшее значение предела упругости именно в полуцикле сжатия, а в полуцикле растяжения оно наименьшее (кривые 2), но при последующем нагружении уже во 2-м цикле характер изменения стр и о'р становится таким же, как и при исходном нагружении в сторону растяжения (кривые 1). У циклически стабильной стали 22к (кривые 2) в первые циклы нагружения наблюдается уменьшение циклического предела упругости, а затем он сохраняется на одном уровне. У стали Х18Н10Т, которая при Т = 20° С является циклически

<тн — начальный уровень нагружения (напряжения, кгс/мм2) при гармоническом режиме нагружения с постоянной амплитудой;

Приведенные диаграммы показывают, что форма кривых 1 т 2 однотипна для каждого сплава и отклонение величины o>/a_t не превышает 10 %. Следует учитывать, что при равных абсолютных значениях о"а и am усталостное разрушение материала происходит при меньших уровнях о> в случае циклического нагружения напряжения-

На рис. 66 и 67 представлены результаты расчета распространения волны в стержне из мягкой стали, для которой коэффициент вязкости меняется в соответствии с зависимостью, приведенной на рис. 56 (20° С). На удалении выше 2 мм от поверхности нагружения напряжения в стержне практически постоянны

Рис. 4.60. Зависимость от числа циклов термоциклического нагружения напряжения в начале выдержки режима А2 (без учета ползучести) в опасной точке оболочечных цилиндрических корпусов типов I (кривая 1) и II (кривая 2)

где п — общее число ступеней, а индекс k отмечает некоторую k-ю ступень (блок циклов). Следует заметить, что числа Nk должны быть достаточно большими (порядка сотен циклов), так как повреждающее действие переходных циклов, разделяющих различные блоки регулярных циклов, как правило, неизвестно. При оценке общей поврежденности такие переходные циклы сбрасываются со счета, что допустимо, если их число мало по сравнению с числом одинаковых регулярных циклов в каждом блоке. Для определения разрушающих чисел циклов Npk требуется располагать набором кривых усталости при различных значениях R. Если на некоторой ступени нагружения напряжения а,пах оказываются ниже предела выносливости, то Npk -»- оо, и соответствующее слагаемое в сумме (3.24) выпадает. Зависимости, позволяющие суммировать повреждения при нерегулярном переменном нагружении в отсутствии блоков регулярных циклов, мы рассмотрим ниже.

Режимы нагружения Напряжения Точки сечения (рис. 74)

его механического состояния. Наличие кинетики петли гистерезиса позволяет описать изменение таких важных параметров процесса упругопластического деформирования как величина пластической деформации в цикле нагружения напряжения, при экстремальных температурах цикла, асимметрию цикла напряжений и т. п. Неодинаковое поле температур на образце в полуциклах нагрева и охлаждения (в соответствующие отрезки времени) определяет несовпадение ветвей (при нагреве CDA и при охлаждении ABC) петли термической деформации в функции температуры свободного, циклически нагреваемого образца (рис. 3.13, б). Информация о параметрах процесса термоусталостного нагружения, приведенная на рис. 3.13, оказывается достаточной для определения абсолютной пластической (интегральной по длине) Д/р и соответственно средней относительной вр —А/р//о (ширины петли упругопластического гистерезиса) деформации образца на расчетной длине 10 за термический цикл. Учитывая, что на этапах охлаждения (от Гтах до Т в) и нагрева (от Ттщ до Т о) закрепленного образца происходит разгрузка до Р = 0 (точки D и В соответственно), то упругие деформации в образце на этих участках определяются через термические Д/уж = Д/т , Д/уас' = Д?.г . Это обстоятельство позволяет на осно-

Знакопеременная нагрузка или симметричный цикл нагружения (напряжения изменяются в пределах 0±аа) есть цикл, в котором максимальные растягивающие и сжимающие нагрузки равны по величине (см. рис. 2, б). Таким образом, средняя нагрузка такого цикла равна нулю.

Что же еще мы хотим определить? Разумеется, информацию, касающуюся конструкции; это может быть предельная нагрузка, проверка работоспособности, определение формы деформируемых, но неразрушающихся тел с трещинами. Появляются н другие задачи: в исследовании Ньюмена [3], касающемся смыкания усталостной трещины, как заметил Эльбер [4], цель состояла в том, чтобы предсказать в процессе циклического нагружения напряжения, смыкающие и раскрывающие трещину, причем оказалось, что полученные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Эта работа представляет собой пример использования вычислительных методов,- который проясняет специфичность задач упругопластической механики разрушения. Еще один пример появился в недавней работе Си и Германа [5], которые стремились для ряда стандартных образцов различной геометрии определить область, находящуюся под влиянием определенного типа сингулярности. При помощи вычислительных методов им удалось определить влияние центрально расположенной и краевой трещин, упрочнения, размеров образцов, т. е. всего того, что является основой стандартных испытаний. Итак, мы видим, что вычислительные методы упругопластической механики разрушения могут быть чрезвычайно мощным инструментом, но в то же время пользоваться ими нужно с большой осторожностью.

При более сложной схеме нагружения напряжения могут быть определены по номограммам на основании принципа независимости действия сил, который применим при решении линейных задач. Например, если сильфон совершает ход w до упора под действием давления р^>р0(Ро—давление при посадке на упоо), то суммарное напряжение определится как